精细物探方法在岩溶区公路桥基选址中的应用

摘" 要：该文以精细物探方法——地震波CT法在岩溶区公路桥基选址中的应用为研究主题，首先对岩溶地区的特殊地质环境进行分析，阐述岩溶地区地质条件的复杂性和不确定性。然后详细介绍跨孔地震波CT法在岩溶区公路桥基选址中的具体应用。通过实际工程案例，分析跨孔地震波CT法在岩溶区公路桥基选址中的优势和效果，如提高预测准确性、降低施工风险等。最后，对岩溶区公路桥基选址中的精细物探方法的应用前景进行展望，提出进一步研究的方向和改进的建议。

关键词：公路工程；精细勘探；跨孔地震波CT法；隐伏岩溶；桥基

中图分类号：U443.16" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）36-0149-04

Abstract： This paper takes the application of fine geophysical exploration method-seismic wave CT method in site selection of highway bridge foundations in karst areas as the research theme. First， the special geological environment of karst areas is analyzed and the complexity and uncertainty of geological conditions in karst areas are expounded. Then the specific application of cross-hole seismic wave CT method in site selection of highway bridge foundations in karst areas is introduced in detail. Through practical engineering cases， the advantages and effects of cross-hole seismic wave CT method in site selection of highway bridge foundations in karst areas are analyzed， such as improving prediction accuracy and reducing construction risks. Finally， the application prospects of fine geophysical prospecting methods in site selection of highway bridge foundations in karst areas are prospected， and further research directions and improvement suggestions are put forward.

Keywords： highway engineering; fine exploration; cross-hole seismic wave CT method; concealed karst; bridge foundation

岩溶地区地质条件复杂，地下溶洞、暗河等发育给公路工程带来诸多问题，如路基不稳、隧道涌水等。因此，岩溶勘察成为公路工程的重要环节。传统的勘察方法如钻探、硐探等存在一定的局限性，难以全面、准确地揭示岩溶分布特征。在岩溶区进行公路桥基选址时，由于地质条件的复杂性和不确定性，需要采用精细的物探方法获取准确的地质信息。跨孔地震波CT法作为一种常用的精细探测物探技术，通过地震波的跨孔成像，能够重建岩土介质的波速分布图像，从而提供有关地质结构、岩溶发育情况等重要信息[1]。

本文介绍了跨孔地震波CT法的基本原理，然后通过实际工程案例分析，探讨了该方法在岩溶勘察中的应用效果，最后对跨孔地震波CT法的优缺点进行了总结，并提出了改进方向。

1" 方法原理

1.1" 跨孔地震波CT原理

跨孔地震波CT法，即跨孔地震波层析成像技术，是一种基于地震波传播原理的地球物理勘探方法。该技术通过在2个或多个钻孔之间发射和接收地震波，记录地震波的传播路径和走时，然后利用这些数据重建地下介质的速度分布图像[2]。

跨孔地震波CT法的原理主要包括以下几个方面。

1.1.1" 地震波的传播特性

地震波在地下介质中传播时，会受到地下介质物理属性（如弹性模量、密度、波速等）的影响。不同类型的地下介质具有不同的波速和传播特性，因此，通过研究地震波的传播特性，可以推断地下介质的物理属性。

1.1.2" 地震波的发射和接收

在跨孔地震波CT法中，地震波的发射和接收分别通过钻孔进行。地震仪固定在钻孔中，用于发射和接收地震波。发射的地震波通过地下介质传播，到达另一个钻孔并被接收。记录下地震波的传播路径和走时。

1.1.3" 地震波走时的观测与重建

地震波走时的观测是跨孔地震波CT法的核心。通过对发射和接收地震波的走时数据进行测量和记录，可以得到地下介质的波速分布。利用走时数据，结合地下介质的物理属性，可以重建地下介质的波速图像[3]。

1.1.4" 波速与地下介质的物理属性关系

地震波的波速与地下介质的物理属性密切相关[4]。波速与介质的弹性模量、密度等因素有关。通过分析波速图像，可以推断地下介质的物理属性分布，从而为公路工程岩溶勘察提供有力依据（图1）。

1.2" 跨孔地震波CT法走时反演原理

主要采用初至波层析成像技术，通过采集地震波初至信息，经过一系列反演计算得到地质体的内部结构以及各层介质中的大致速度。

初至波走时层析成像的关键是求解层析方程组，在钻孔中设置一系列激发点，另一钻孔安置检波器，利用接收到的初至波旅行时间，通过SIRT算法对该方程组进行求解，得到该剖面的慢度（速度的倒数）函数[5]。

对探测区域进行离散化，设其从发射到接收射线的旅行时间为Ti，其某炮的旅行初至时间可以写成以下积分形式，如公式（1）所示

式中：S（X，Y）是点（X，Y）处的慢度；ds是沿直线路径的微分长度。

假设离散化的单元个数为N，则每个单元慢度分别可以记为S1、S2、...Sn，射线在每单元的旅行路径假设为直线，这样，第i个射线的旅行时就可以表示为

Ti=aijS，（2）

式中：aij表示第i条射线穿过第j个网格的长度，图中表示为线段FD。当有大量射线穿过该区域时，根据公式（2）就可以得到关于未知量Sj的M个方程Ti，写成矩阵形式的如公式（3）所示。

可记为AS=T，其中A=（aij）M×N称为距离矩阵，T=（Ti）M×1为旅行时向量，S=（Si）M×1为慢度列向量。通过求解公式（3）方程组就可以得到离散慢度分布，从而实现钻孔间的速度分布。

2" 工程应用

目前，我国公路交通建设进程愈来愈快，其中公路桥梁建设在诸多地方全面展开。岩溶地区地质复杂，桥梁桩基承载力不稳定，会影响工程安全。在施工前采用合适的岩溶探测技术准确探测岩溶发育情况，是顺利完成桥梁施工的关键之一。

2.1" 地质概况

桥址区地貌类型为侵蚀、剥蚀丘陵地貌，以农田、树林为主，拟建桥梁跨越箭穿河，地势稍有起伏，高差较小，地面标高77.24～81.95 m。

根据钻孔资料显示：桥址区覆盖层主要为第四系人工填土、粉质黏土，下伏基岩以灰岩为主，岩溶较为发育。地下溶洞内部以及岩溶裂隙中固态填充物一般为黏土和少量岩屑，且大部分溶洞内部处于富水状态。通过钻孔纵波测试技术得到：上部黏土夹碎石土的地震纵波速度一般低于2 500 m/s；下部未受风化和溶蚀作用的完整灰岩地震纵波速度普遍高于4 500 m/s；岩溶裂隙发育和较破碎灰岩的地震纵波速度在3 500～4 500 m/s；极破碎岩体或以粉质黏土为主的碎石土充填溶洞的地震纵波速度在2 500～3 500 m/s。由此可以推测出，底部完整灰岩，上部黏土夹碎石土层与岩溶异常体之间存在着明显的波速差异。

2.2" 跨孔地震波CT法的技术应用

2.2.1" 数据采集与处理

地震波CT法测试采用两边观测系统、定点扇形扫描方式；采用电火花震源在一孔激发地震波、另一孔利用12或24道串珠状检波器接收地震波，串珠状检波器及电火花发射源均以水与孔壁岩体耦合；检波器点距和炮点间距均1 m，每5 m校核激发点深度；测试自下而上进行，测试时先固定检波器串，在激发孔中逐点激发并观测接收地震波，激发点与检波器的最大仰、俯角约45°；当激发点与检波器的最大仰、俯角达到设计值并完成观测后，将检波器串提升11 m或23 m并固定，移动激发点在设计孔深范围内重新开始逐点激发观测；测试时间采样率0.04 ms，采样长度1 024 m，记录长度40.96 ms；全通滤波；采用的最大发射电压视现场测试实际情况而定，一般不小于4 000 V。

该桥址区一共完成跨孔地震波CT法7对。在此基础上，经初至波拾取、反演成图等处理工作，与钻孔资料相结合分析得到速度剖面图，查明基岩中岩溶发育情况。钻孔3011—3012与钻孔3015—3016初至波拾取结果如图2、3所示。

2.2.2" 成果综述

钻孔3011-3012跨孔地震波CT反演波速与钻孔地质解释联合剖面如图4所示。

钻孔TZK3011与TZK3012孔间地震波CT法反演剖面走向为NE6°。钻孔顶角分别为1.2°和1.1°，孔间距为25.07 m。

测试范围内，高程71.8～72.5 m以上，地震纵波速度小于2 500 m/s，推测为素填土、卵石土等覆盖层的反映。覆盖层以下，地震纵波速度小于3 500 m/s，推测为强溶蚀发育带；3 500～4 500 m/s推测为弱溶蚀发育带。其中，地震纵波速度2 500～3 500 m/s，推测为破碎灰岩或全充填溶洞的反映，结合地质资料分析，探测区域内，无明显溶洞发育迹象，推测为破碎灰岩的可能性较大，打桩过程中，需提前做好措施，以防发生塌孔；地震波速度3 500～4 500 m/s，推测为溶蚀裂隙发育或破碎～较破碎灰岩的反映，裂隙充填泥质，探测区域内，主要发育在高程59.94 m以上，横向延展范围较大。

地震波纵波速度4 500～6 000 m/s，推测为较完整～完整灰岩的反映。

钻孔3015-3016跨孔地震波CT反演波速与钻孔地质解释联合剖面如图5所示。

钻孔TZK3015与TZK3016孔间地震波透射法反演剖面走向为NE6°。钻孔顶角分别为0.8°和0.7°，孔间距为25.27 m。

基岩分界面位于左侧高程71.31 m倾至右侧高程70.29 m，右侧覆盖层包含全分化泥质砂岩，地震纵波速度小于2 500 m/s，基岩分界面起伏情况与钻孔地质剖面基本吻合覆盖层以下，地震纵波速度小于3 500 m/s，推测为强溶蚀发育带；3 500～4 500 m/s推测为弱溶蚀发育带。其中地震纵波速度2 500～3 500 m/s，推测为破碎灰岩或全充填溶洞的反映，主要发育在左侧高程68.31～70.31 m和右侧高程65.09～68.69 m，横向发育宽度2～5 m；地震波速度3 500～4 500 m/s，推测为溶蚀裂隙发育或破碎～较破碎灰岩的反映，裂隙充填泥质，主要发育在高程60.49 m以上，横向延展范围较大，目前处于安全状态。但应当考虑到其发育潜能，若与周边岩溶发育区域相通，则会引发塌陷事故。

地震波纵波速度4 500～6 000 m/s，推测为较完整～完整灰岩的反映。

将跨孔地震波CT法应用于公路工程桥梁桩基岩溶发育探测中，得到地震波反演波速与钻孔地质解释联合剖面图，能够有效地解决了地下岩溶的探测问题，对桥址区域可能产生的不良岩溶病害进行了较为精准的预测。

3" 结论

本文针对跨孔地震波CT法在公路工程岩溶勘察中的应用进行了深入研究，通过分析跨孔地震波CT法的原理及其优势，结合实际工程案例，探讨了该方法在岩溶勘察中的应用效果和价值。

研究表明，跨孔地震波CT法具有以下特点和优势：

1）较高的探测精度：跨孔地震波CT法通过地震波走时反演，能够精确地重建地层介质的波速分布图像，从而揭示地层结构特征。

2）自动成像：跨孔地震波CT法能够实现自动成像，提高数据处理效率。

3）能量可扩展：电火花震源的能量可从1 WJ调整至80 WJ，满足不同跨孔宽度探测需求。

本文通过实际案例分析，证明了跨孔地震波CT法在公路工程岩溶勘察中的高效性和准确性。

然而，跨孔地震波CT法在实际应用中仍存在一定的局限性，如探测距离较短、受介质特性影响较大等。因此，在未来的研究中，需要进一步完善跨孔地震波CT技术，提高探测距离和可靠性，使其在公路工程岩溶勘察中发挥更大的作用。

总之，跨孔地震波CT法作为一种高分辨率层析成像技术，在公路工程岩溶勘察中具有广泛的应用前景。通过不断优化和改进，该方法将为我国公路工程岩溶勘察提供更加高效、准确的技术支持。

参考文献：

[1] 张连伟.井间地震CT技术及其在铁路岩溶勘探中的应用[D].天津：天津大学，2013.

[2] 郭淑君，侯延华，李红立，等.地震CT技术在城市地质勘察中的应用研究[J].CT理论与应用研究，2014，23（1）：81-90.

[3] 刘拓.井间地震初至波走时层析成像方法研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2017.

[4] 陶鹏飞，尹奇峰，赵红飞，等.井中地震波CT浅层城市地下空间成像[J].地下空间与工程学报，2019，15（S2）：687-693.

[5] 何惺华.井间地震[M].北京：石油工业出版社，2008.